У мозку людини знайшли існуючі в 11 вимірах структури
Опубликованно 02.09.2019 12:44
Швейцарська дослідницька група Blue Brain поставила своєю метою нетривіальну задачу — повністю реконструювати мозок людини на базі суперкомп'ютера. Для цього вчені створили спеціальну модель, вдавшись до алгебраїчної топології — розділу математики, що описує властивості об'єктів і просторів незалежно від зміни їх форми. Вони виявили, що групи нейронів з'єднуються в «кліки», і що кількість нейронів у кліці залежить від його розміру як багатовимірного геометричного об'єкта (мова йде про математичне, а не просторово-часове поняття вимірювання — це важливо).
«Ми знайшли світ, про який ніколи не мріяли», - заявив провідний дослідник, нейробіолог Генрі Маркрам з інституту EPFL в Швейцарії. «Навіть в самій маленькій частині мозку існують десятки мільйонів таких об'єктів, і їх розмірність коливається аж до семи вимірів. У деяких мережах ми навіть виявили структури з кількістю вимірювань, що досягає 11».
Для тих, хто не зрозумів, пояснюємо: мова йде не про просторових вимірах (ми з вами, наприклад, сприймаємо Всесвіт лише у трьох просторових вимірах + одному часовому). Замість цього дослідники відзначають ступеня зв'язку нейронів між собою. Вузлові точки зв'язку — це «кліки». Чим їх більше — тим вище розмірність.
Згідно з оцінками нейробіологів, наш мозок складається з 86 000 000 000 нейронів, тісно пов'язаних один з одним. Вони утворюють велику клітинну мережа, яка якимось чином наділяє нас здатністю до активного розумовому процесу і свідомої діяльності. З урахуванням того, який колосальний обсяг зв'язків містить ця складна структура, немає нічого дивного, що у вчених до цих пір немає чіткого розуміння того, як все це працює.
Проте математична основа, розроблена швейцарськими вченими, ще на один крок наближає нас до того дня, коли мозок буде повністю оцифрований.
Для виконання тестів команда використовувала детальну модель неокортексу, яку проект Blue Brain Project опублікував ще в 2015 році. Вважається, що неокортекс є частиною нашого мозку, яка бере участь у деяких з функцій вищого порядку, таких як пізнання та сенсорне сприйняття.
Після розробки математичної структури і тестування її на деяких віртуальних стимули команда також підтвердила свої результати на реальних тканинах мозку у щурів.
На думку дослідників, алгебраїчна топологія надає математичні інструменти для розпізнавання деталей нейронної мережі як в режимі великого плану на рівні окремих нейронів, так і в більш широкому масштабі структури мозку в цілому. Поєднуючи ці два рівні, дослідники могли розрізнити в мозку багатовимірні геометричні структури, утворені сукупностями тісно пов'язаних нейронів (кліків) і порожніх просторів (порожнин) між ними.
«Ми виявили дивно велика кількість і різноманітність кліків і порожнин великого розміру, яких раніше не було в нейронних мережах, ні біологічних, ні штучних», написала команда в новому дослідженні. «Алгебраїчна топологія схожа на телескоп і мікроскоп одночасно», - пояснив один із членів команди, математик Кетрін Хесс з EPFL. «Він допомагає наблизитися до мереж, щоб знайти приховані структури і одночасно побачити порожні простору. Це схоже на пошук дерев і полян у єдиному масиві лісу», зазначив він.
Ці просвіти, або «порожнини», здаються критично важливими для роботи мозку. Коли дослідники стимулювали віртуальну мозкову тканину, то побачили, що нейрони реагують на неї високоорганізованим чином.
«Це як якщо б мозок реагував на подразник, ладу і потім руйнуючи вежу з багатовимірних блоків, починаючи зі стрижнів (1D), потім дощок (2D), потім кубів (3D) і потім більш складних геометрій — 4D, 5D, і т. д.», пояснює математик Ран Леві з Університету Абердіна у Шотландії. «Розвиток активності через мозок нагадує багатовимірний замок з піску, який матеріалізується з піску і потім розпадається».
Результати роботи подарували світу приголомшливу і свіжу картину того, як мозок обробляє інформацію. Однак дослідники відзначають, що ще не з'ясували причину того, чому кліки і порожнини формуються досить специфічними способами. Потрібна додаткова робота, щоб визначити, як складність цих багатовимірних геометричних фігур, сформованих нашими нейронами, співвідноситься зі складністю різних когнітивних завдань.
Нагадаємо, раніше повідомлялося, що в організмі людини знайшли чотири тисячі нових видів мікроорганізмів.
Хочете знати важливі та актуальні новини раніше за всіх? Підписуйтесь на Bigmir)net на Facebook і Telegram.
Категория: Технологии